두꺼운 벽을 가진 티타늄 합금의 용융 용접: 기술 연구 개요

요약

티타늄 합금은 높은 비강도, 우수한 내식성 및 고온 성능으로 인해 항공우주, 해양 장비 및 기타 산업 분야에서 광범위하게 활용되고 있습니다.

최근 몇 년 동안 두꺼운 벽 티타늄 합금의 용접 기술은 이러한 합금에 대한 수요 증가로 인해 상당한 응용 가치를 얻었습니다. 따라서 본 백서에서는 두꺼운 벽을 가진 티타늄 합금 소재의 용융 용접 기술 발전을 요약하는 것을 목표로 합니다. 여기에는 주로 비용융 전극 가스 차폐 용접, 전자빔 용접 및 레이저 용접. 또한 이 백서에서는 두꺼운 벽 티타늄 합금의 개발 동향에 대한 전망도 제시합니다. 용접 기술.

관련 읽기: 수동 아크 용접 대 CO2 가스 차폐 용접

서문

티타늄 합금 는 저밀도, 높은 비강도, 비강성, 우수한 내식성, 우수한 가공성이 특징입니다. 개발 잠재력이 무궁무진하고 응용 분야가 유망한 신기능성 소재입니다. 강철과 알루미늄에 이어 '제3의 금속'으로 알려진 이 소재는 항공우주, 석유화학, 국방 장비 등 다양한 분야에서 널리 사용되는 필수 전략 금속 소재입니다.

최근 방위 산업에서 대규모 경량 장비에 대한 수요가 증가함에 따라 해당 가공 기술과 함께 두꺼운 벽의 티타늄 합금에 대한 필요성이 더욱 절실해졌습니다.

실제 엔지니어링 응용 분야에서 용접은 두꺼운 벽의 티타늄 합금 구조물을 연결하는 데 사용되는 주요 방법으로, 효율적이고 고품질의 두꺼운 벽 티타늄을 만듭니다. 합금 용접 필수적이며 상당한 주목을 받고 있는 기술입니다.

이 기사에서는 두꺼운 벽 티타늄 합금 융합 용접 기술의 연구 현황을 요약하고 두꺼운 벽 티타늄 합금 융합 용접의 기존 문제를 식별하고 두꺼운 벽 티타늄 합금 융합 용접 기술의 발전 전망과 연구 방향을 살펴 봅니다.

1. 티타늄 합금의 분류 및 특성

1.1 티타늄 합금의 분류

티타늄 합금은 화학적 조성과 함량에 따라 α 티타늄 합금, α에 가까운 티타늄 합금(β 상 질량 비율이 ≤10%), α-β 이중 상 티타늄 합금(β 상 질량 비율이 10% ≤ β ≤ 50%), 준안정 β 티타늄 합금, β 티타늄 합금의 5가지 카테고리로 분류할 수 있습니다.

α-β 이중 상 티타늄 합금은 우수한 종합적인 특성으로 인해 널리 사용됩니다. α 형 티타늄 합금의 열 안정성 특성과 β 형 티타늄 합금의 열처리 강화 특성을 결합합니다.

1.2 티타늄 합금 소재 특성

(1) 높은 비강도.

티타늄 합금은 20℃에서 밀도가 4.54g/cm3인 경량 합금으로, 일반 강철의 약 56%에 해당합니다. 티타늄 합금을 사용하여 기계 부품을 제조하면 무게를 크게 줄이고 경량화 효과를 얻을 수 있습니다.

(2) 내식성이 우수합니다.

티타늄 합금은 공기에 노출되면 표면에 안정적이고 연속적이며 밀도가 높은 산화막을 형성하여 수동적인 상태가 됩니다. 또한 티타늄 합금의 산화막은 수리 성능이 뛰어납니다. 외부 요인으로 인한 손상이 발생하면 즉시 복원할 수 있어 티타늄 합금에 뛰어난 내식성을 부여합니다.

(3) 고온 성능.

티타늄 합금의 융점은 1667 ℃로 500 ~ 600 ℃의 환경에서 안정적으로 작동 할 수 있으며 내 크리프 성 및 내열성이 높습니다.

1.3 두꺼운 벽 티타늄 합금의 용접 특성

(1) 용접된 조인트의 취성:

적절한 보호 장치가 없으면 티타늄 합금의 가열 온도는 다양한 화학 반응을 일으킬 수 있습니다. 수소 흡수는 250℃에서, 산소 흡수는 400℃에서, 심한 산화는 540℃에서, 질소 흡수는 600℃에서 시작됩니다.

이러한 가스는 용접 중에 용융 풀에 용해되어 화학 반응을 일으켜 용접 조인트의 취성을 유발할 수 있습니다. 그 결과 용접 조인트의 가소성과 인성이 급격히 저하됩니다. 따라서 용접 접합부의 용접 프로세스 를 사용하여 이러한 반응이 발생하지 않도록 합니다.

(2) 용접 균열:

티타늄 합금은 S, P, C 및 기타 오염 물질을 포함한 불순물 함량이 낮습니다. 또한 저융점 공융 화합물을 적게 함유하고 있으며 결정화 온도 범위가 좁아 고온 균열에 덜 취약합니다.

그러나 다층 및 다중 패스 용접 기술을 사용하여 두꺼운 벽의 티타늄 합금을 용접할 때 용접 조인트는 높은 수준의 구속 응력을 받게 되므로 결과적으로 상당한 잔류 스트레스 관절에. 이 잔류 응력의 영향으로 냉간 균열이 쉽게 형성됩니다.

(3) 다공성:

다공성은 티타늄에서 발생할 수 있는 일반적인 결함입니다. 합금 용접. 이는 티타늄 합금에 존재하는 높은 포화 증기압과 활성 원소 때문입니다. 수소 다공성은 기본 금속의 표면과 용접 재료 가 오염되었거나 차폐 가스에 산소, 수소 또는 물과 같은 불순물이 포함된 경우입니다.

2. 비소모성 전극 가스 차폐 용접 연구 현황

2.1 전통적인 TIG 용접

가스 차폐 비 소모성 TIG 용접은 안정적인 아크, 적은 아크와 같은 장점으로 인해 티타늄 합금 분야에서 널리 사용됩니다. 용접 스패터와 좋은 용접 형성. 그러나 전통적인 TIG 용접 티타늄 합금의 경우 용접 조인트의 고온 체류 시간이 길어지고 액체 용융 풀 금속의 냉각 속도가 빨라집니다.

이는 티타늄 합금의 낮은 열전도율로 인해 용접 영역에서 입자가 거칠어지는 경향이 눈에 띄기 때문입니다. 열 영향 구역.

또한 홈 크기가 크면 다층 및 다중 패스 용접이 필요하기 때문에 용접 효율이 낮고 과도한 응력 및 변형이 발생합니다. 입자가 거칠어지는 경향을 줄이기 위해 루신은 TIG 용접을 사용하여 홈 각도가 60°인 20mm 두께의 TC4 티타늄 합금의 다층 및 다중 패스 용접을 달성했습니다. 그림 1은 다음과 같은 미세 구조를 보여줍니다. 용접 조인트 다른 열 입력에서.

As 용접 열 입력이 감소하면 입자 내부의 마르텐사이트의 크기가 작아지고 균일해지며 용접 입자가 점차 미세해집니다. 따라서 TC4 티타늄 합금 후판을 용접하기 위해 TIG 용접을 사용할 때 용접 열 입자를 엄격하게 제어하여 거친 조인트 입자를 방지하고 비정상적인 구조, 균열 및 기타 결함의 발생을 방지해야 합니다.

그림 1 다양한 열 입력에 따른 용접 영역의 미세 구조

양 루 등은 용접 조인트의 잔류 응력과 변형을 최소화하기 위해 24mm 두께의 TC4 티타늄 합금에 X자형 홈과 앞뒤 교대 용접을 사용하여 다층 TIG 용접을 수행했습니다.

동시에 연구진은 SYSWELD 플랫폼을 활용하여 용접 조인트의 온도장, 응력장 및 용접 변형에 대한 수치 시뮬레이션을 수행했습니다. 시뮬레이션은 양쪽 끝이 완전히 단단히 고정되어 있다는 가정 하에 수행되었습니다. 용접 플레이트그림 2에 표시된 것처럼

그 결과 양면을 번갈아 가며 용접하는 용접 순서를 활용하면 용접 조인트의 응력과 변형을 크게 줄일 수 있는 것으로 나타났습니다.

그림 2 TEM 형태 프로파일 용접 조인트 잔류 응력 두께

요약하면, 전통적인 TIG 용접은 벽이 두꺼운 티타늄 합금 용접에 적합하지만, 용접 열 입력을 적절히 줄이고 양면 교대 용접을 위해 X자형 홈을 활용하면 입자 크기, 접합 응력 및 변형을 최소화할 수 있습니다.

관련 읽기: MIG 용접 대 TIG 용접

그러나 여전히 그루브 크기가 커서 용접 효율이 낮다는 문제가 있어 벽이 두꺼운 티타늄 합금 용접에서 이 기술을 대중화하기는 어렵습니다.

2.2 좁은 간격 TIG 용접

좁은 간격 용접의 홈 크기가 작기 때문에 기존의 홈 충전 용접에 비해 부피가 크게 줄어듭니다. 이러한 감소는 용접 효율을 향상시킬 뿐만 아니라 생산 비용도 절감합니다.

좁은 간격 TIG 용접은 상대적으로 낮은 장비 비용과 안정적인 용접 공정을 자랑하는 유연한 공정입니다. 또한 좁은 간격의 홈은 용접 패스 횟수를 줄여 용접 변형을 개선하고 용접 응력을 더 잘 제어할 수 있습니다.

결과적으로 두꺼운 벽의 티타늄 합금을 위한 좁은 간격 TIG 용접은 상당한 이점을 제공합니다.

그러나 좁은 간격 TIG 용접의 작은 홈 간격으로 인해 아크가 측벽을 따라 "상승"하여 양쪽 하단 모서리에 열 입력이 충분하지 않을 수 있습니다. 용접 비드 측벽의 융합이 제대로 이루어지지 않습니다.

현재 두꺼운 벽의 티타늄 합금을 위한 좁은 갭 TIG 용접 기술은 종종 기계적 스윙과 외부 자기장을 사용하여 아크를 조절합니다. 이러한 방법은 좁은 간격 측벽의 용융 불량 문제를 효과적으로 해결합니다.

2.2.1 기계식 스윙 좁은 간격 TIG 용접

기계적 스윙 좁은 간격 TIG 용접의 원리는 다음과 같습니다. 용접 과정에서 텅스텐 전극 클램프를 회전시켜 텅스텐 전극이 홈 내에서 앞뒤로 이동하여 아크가 주기적으로 홈의 측벽을 향하도록하여 측벽의 융합 품질을 보장합니다.

용접 프로세스는 그림 3에 나와 있습니다.

기계식 스윙 협갭 용접 모드는 용접 홈의 폭 변화에 매우 유연하게 적응할 수 있습니다. 용접 중 측면 벽 비융착 결함 발생을 최소화하여 보다 안정적인 용접 품질. 이 기술은 벽이 두꺼운 티타늄 합금의 좁은 간격 TIG 용접에 널리 사용되고 있습니다.

그림.3 기계식 스윙 좁은 간격 TIG 용접 공정의 개략도

장용천은 기계식 스윙 좁은 간격 TIG를 활용했습니다. 용접 기술 두께 52mm의 TC4 티타늄 합금의 고품질 연결을 달성했습니다. 이는 적절한 용접 파라미터와 용접 보호 조치를 선택함으로써 가능했습니다.

그림 4는 용접된 조인트의 거시적 금속 조형과 미세 구조를 보여줍니다. 빠른 냉각 속도로 인해 α '마텐사이트 가 열 영향 구역에 형성됩니다. 그러나 용접 강도 모재의 경도가 90%에 도달하면 융합 영역의 경도가 최대값을 나타냅니다.

그림 4 용접 조인트의 거시적 금속 조직 및 미세 구조

Li Shuang 등은 기계적 스윙 좁은 간격 TIG 용접 기술을 활용하여 30mm 두께의 TC4 티타늄 합금의 단층 필러 와이어 용접을 달성하고 용접 조인트의 미세 구조를 분석했습니다.

연구 결과, 용접 영역의 입자는 상당히 거칠고 주로 거친 주상 입자이며 미세 구조는 β 상 입자에 평행하게 분산된 침상 α'마르텐사이트로 구성되어 있는 것으로 나타났습니다.

용접면에 인접한 열 영향 영역은 모재면에 비해 입자 거칠기가 더 크게 나타났습니다.

결론적으로 기계식 스윙 좁은 간격 TIG 용접 기술은 용접 공정이 안정적이고 장비 비용이 저렴합니다.

텅스텐 전극의 주기적인 스윙은 벽이 두꺼운 티타늄 합금 측벽의 부적절한 융착 문제를 효과적으로 해결했습니다.

그러나 상당한 열이 가해졌기 때문에 조인트는 입자가 거칠어지는 경향이 뚜렷하게 나타났습니다.

2.2.2 자기 제어식 좁은 간격 TIG 용접

자기 제어 협갭 TIG 용접 기술의 개념은 우크라이나의 바튼 용접 기술 연구소에서 처음 도입했습니다. 최근 몇 년 동안 광동 용접 기술 연구소는 기초 연구를 수행하고 두꺼운 벽의 티타늄 합금에 대한 이 기술의 산업적 적용을 촉진했습니다.

그림 5는 자기 제어 협갭 TIG 용접의 용접 공정 다이어그램과 아크 스윙을 보여줍니다. 용접 공정 중에 전자기 코일은 교류에 연결되고 실리콘 강판 코일을 통과하면 자석이 됩니다.

그런 다음 자기 유도 라인이 전극과 아크를 통과하여 아크가 두 측벽을 향해 주기적으로 스윙합니다. 이렇게 하면 좁은 간격의 측벽을 쉽게 융합할 수 있어 좁은 간격 TIG 용접이 가능합니다.

그림 5 외부 횡 자기장 및 아크 스윙의 개략도

전 세계 학자들은 자기장 강도, 자기장 주파수 및 전극 위치가 측벽 융합, 용접 형성 및 결정화 공정에 미치는 영향에 대해 광범위한 연구를 수행했습니다.고품질 용접 자기 제어 협갭 TIG 용접의 경우.

그림 6에서와 같이 외부 자기장이 용접 형성에 미치는 영향을 조사했습니다.

연구 결과에 따르면 외부 자기장이 없을 때는 측벽의 융합이 현저히 부족합니다. 그러나 외부 자기장이 존재할 때 측면 벽 융합은 만족스러운 수준입니다.

그림 6 외부 횡방향 자기장이 용접 이음새의 구성 및 미세 구조에 미치는 영향

(a) 외부 자기장 없음

(b) 외부 자기장 사용

Hua Aibing 등이 수행한 연구에서는 외부 자기장 강도가 좁은 갭 용접의 측벽 융착에 미치는 영향을 조사했습니다. 그 결과, 자기장 강도가 4mT 이상이면 측면 벽 융착을 효과적으로 개선하여 비교적 균일한 용접 융착을 얻을 수 있는 것으로 나타났습니다.

장윤롱(Chang Yunlong) 등의 또 다른 연구에서는 외부 자기장 주파수가 측벽 융착에 미치는 영향을 조사했습니다. 연구 결과에 따르면 자기장 주파수가 증가함에 따라 용접 바닥의 침투 깊이와 아크 충격 깊이도 증가했습니다. 용접 관통력 폭과 측벽 투과율이 감소했습니다.

Yu Chen 등은 전극 위치가 측벽 융합에 미치는 영향에 대한 연구를 수행했습니다. 그 결과 텅스텐 전극이 중앙 위치에서 이동하면 가까운 측벽의 전류 유입 강도는 증가하고 먼 측벽의 전류 유입 강도는 감소하는 것으로 나타났습니다. 고르지 않은 측벽 침투와 측벽 융합 불량을 방지하려면 전극 위치를 엄격하게 제어해야 합니다.

Sun Jie 등은 전자기 세기가 결정화 과정에 미치는 영향에 대한 연구를 수행했습니다. 그림 7은 자기장의 작용에 따른 티타늄 합금 용접의 1차 결정화를 보여줍니다.

그 결과 전자기 효과는 평면 결정화 전면 영역과 이후 형성된 등축 결정의 안정성을 향상시킬 수 있음을 나타냅니다.

자기장 강도가 증가함에 따라 용융선 근처의 미세 구조는 원주형에서 등축 결정으로 점차 변화합니다. 자기 제어 아크는 용접 중심에서 생성된 등축 결정의 안정성을 크게 향상시킵니다. 또한 등축 결정은 자기장 강도가 증가함에 따라 한 방향으로 성장합니다.

또 다른 연구에서 후진량 등은 자기 제어 협갭 TIG 용접 기술을 사용하여 120mm 두께의 TA17 티타늄 합금을 용접했으며, 그림 8은 용접된 조인트의 미세 구조를 보여줍니다. 결과는 조인트의 미세 구조가 횡 방향을 따라 상당한 불균일성을 나타내는 반면 두께 방향에서는 큰 차이가 나타나지 않음을 나타냅니다. 큰 용접 열 입력으로 인해 융합 영역이 심각하게 부드러워졌습니다.

그림 7 자기장 하에서 티타늄 합금 용접 금속의 1차 결정화 공정

그림 8 자기 제어 NG-TIG 용접 이음새로 용접된 120mm 두께의 TA17 티타늄 합금 조인트의 미세 구조

요약하면, 자기 제어 협갭 TIG 용접 기술은 낮은 장비 비용으로 안정적인 용접 공정을 제공합니다. 이 기술은 자기장을 추가함으로써 주기적인 아크 스윙을 가능하게 하여 벽이 두꺼운 티타늄 합금 측벽의 융착 불량 문제를 효과적으로 해결하고 용접 영역 구조를 균일하게 만듭니다.

그럼에도 불구하고 이 기술은 여전히 높은 열 입력으로 인해 용접 접합부의 연화라는 중대한 과제에 직면해 있습니다. 반면 좁은 간격 TIG 용접은 벽이 두꺼운 티타늄 합금의 안정적인 용접을 달성할 수 있습니다. 이 기술은 기존 TIG 용접에 비해 용접 패스 횟수를 줄이고 용접 효율을 향상시킵니다.

그러나 좁은 간격의 TIG 용접에도 문제가 있습니다. 접합 입자의 반복적인 재용융과 가열로 인해 입자가 거칠고 두께 방향에 따라 미세 구조 및 특성이 고르지 않게 분포하는 등의 문제가 발생합니다.

2.3 서브머지드 아크 용접

서브머지드 아크 용접은 TIG 용접과는 별개의 용접 형태입니다.

이 방법은 헬륨을 차폐 가스전극 직경과 용접 전류가 모두 큽니다.

헬륨과 아크의 힘을 결합하여 용접 위치에서 액체 용융 풀 금속을 배출할 수 있습니다.

전극이 용접할 모재에 잠기고 전극과 분화구 바닥에 형성된 공동에서 아크가 연소되어 궁극적으로 용융 풀이 형성됩니다.

아크 연소 위치가 모재 표면 아래에 있기 때문에 이를 서브머지드 아크 용접이라고 합니다.

서브머지드 아크 용접의 원리는 그림 9에서 확인할 수 있습니다.

그림 9 SAW 원리 개략도

최근 몇 년 동안 학자들은 두꺼운 두께의 티타늄 합금에 서브머지드 아크 용접 기술을 적용하는 연구를 수행했습니다.

첸 궈칭과 동료들은 29mm 두께의 TA15 티타늄 합금에 서브머지드 아크 용접을 사용하여 맞대기 테스트를 수행한 결과 용접부가 잘 형성된 것을 확인했습니다.

그러나 높은 열 입력으로 인해 용접 조인트의 용접 영역과 열 영향 영역이 상대적으로 넓고 파단 후 조인트의 연신율은 모재의 50%에 불과합니다.

용접된 조인트의 굽힘 특성이 좋지 않아 15°로 구부리면 부러집니다.

리우 얀메이 등은 양면 서브머지드 아크 용접 공정을 사용하여 58mm 두께의 TA15 티타늄 합금을 용접하는 데 성공했습니다.

용접의 매크로 섹션은 그림 10에 나와 있습니다. 용접 영역은 입자 크기가 큰 원주형 결정을 가지며, 과립 내부는 침상 α'마르텐사이트입니다.

조인트의 인장 골절 위치는 연성 골절인 용접 영역입니다.

인장 강도는 모재 강도의 96%에 달합니다.

수중 아크 용접 조인트의 기계적 특성을 개선하기 위해 Duqiang 등은 64mm 두께의 TA15 티타늄의 수중 아크 용접을 수행했습니다. 합금 플레이트 TA1 순수 티타늄 중간층이 추가되었습니다.

그 결과, 중간층을 추가한 후 용접부의 수소, 산소 및 질소 함량이 모재에 비해 감소하고 용접 조인트의 가소성이 크게 개선된 것으로 나타났습니다.

Hou Qi 등은 TA15 티타늄 합금판 서브머지드 아크 용접 조인트의 성능에 대한 차폐 가스 순도의 영향을 연구했습니다.

그 결과 차폐 가스 순도를 높임으로써 용접 조인트의 기계적 특성을 어느 정도 개선할 수 있음을 보여주었습니다.

그림 10 용접부의 거시적 단면도

요약하면, 서브머지드 아크 용접은 비교적 안정적인 아크 모양으로 두꺼운 벽의 티타늄 합금을 용접할 수 있어 용접 형성이 더 좋습니다. 헬륨은 아르곤에 비해 이온화 전위가 높고 열전도율이 높기 때문에 일반적으로 서브머지드 아크 용접에서 동축 보호에 사용됩니다.

그 결과 서브머지드 아크 용접의 아크 컬럼 영역이 좁고 집중되어 있어 아크 열의 활용률이 높습니다. 이 용접 기술은 두꺼운 티타늄 합금의 양면 용접을 수행할 수 있어 좁은 간격의 TIG 용접에 비해 용접 효율이 크게 향상됩니다.

그러나 이 방법에는 과도한 열 입력, 거친 입자 구조, 두께 방향의 미세 구조 및 특성의 고르지 않은 분포와 같은 몇 가지 문제가 있습니다.

2.4 요약

비소모성 불활성 가스 아크 용접은 비교적 안정적인 아크 모양으로 두꺼운 티타늄 합금을 용접할 수 있어 용접 형성이 더 좋습니다. 이 기술은 두꺼운 티타늄 합금 용접 연구에서 높은 응용 가치를 보여줍니다.

그러나 높은 용접 열 입력으로 인한 접합부 연화 등의 문제가 여전히 존재합니다. 따라서 후판 티타늄 합금의 용접 시 투입되는 열을 줄이는 연구를 수행하는 것이 중요합니다. 이를 통해 비 MIG 용접 후판 티타늄 합금의 구조와 특성의 균질성을 향상시킬 수 있습니다.

3. 전자빔 용접 연구 현황

전자빔 용접 기술은 고에너지 밀도 전자빔을 사용하여 금속 재료를 타격함으로써 두꺼운 금속 재료의 단면 용접 및 양면 성형이 가능합니다.

용접 과정에서 빔 출력 밀도가 높기 때문에 용접의 깊이-폭 비율이 크고 용접 변형이 최소화됩니다.

또한 전자빔 용접은 진공 환경에서 수행되어야 하므로 용접 과정에서 수소, 산소 및 질소의 부정적인 영향을 효과적으로 방지할 수 있습니다. 따라서 전자빔 용접은 일반적으로 두꺼운 티타늄 합금을 용접하는 데 사용됩니다.

그림 11은 전자빔 용접 장치를 보여줍니다.

그림 11 전자빔 용접의 개략도

3.1 조인트 구조 및 성능

국내외 학자들은 티타늄 합금의 진공 전자빔 용접 조인트의 미세 구조와 특성을 연구해 왔습니다.

Hou Jiangtao는 전자빔 용접 기술을 활용하여 20mm 두께의 TC4 티타늄 합금을 용접하고 용접 영역의 입자 크기와 두께 방향을 따라 조인트의 기계적 특성을 분석했습니다.

그 결과 용접 영역의 윗부분은 입자 크기가 1200 µm이고 아랫부분은 입자 크기가 200 µm로 물성에 차이가 있는 것으로 나타났습니다.

Sun 등은 또한 전자빔 용접 기술을 사용하여 20mm 두께의 TC4 티타늄 합금을 용접하고 용접 조인트의 거시적 형태를 분석했습니다(그림 12 참조).

용접 접합부의 상부, 중간 및 하부 영역의 용융 영역과 열 영향 영역은 폭이 크게 다를 뿐만 아니라 깊이 방향을 따라 감소하는 입자 구조의 형태와 크기에도 차이가 있었습니다.

웨이 루 등은 전자빔 용접 기술을 사용하여 50mm 두께의 TC4 티타늄 합금 판을 용접하고 두께 방향에 따라 기계적 특성 테스트를 수행했습니다. 그 결과 용접 깊이에 따라 기계적 특성이 고르지 않게 분포하는 것으로 나타났습니다.

그리고 항복 강도용접 조인트의 인장 강도 및 미세 경도는 모재에 비해 향상된 반면 가소성 및 인성은 감소했습니다.

마지막으로 송칭준은 전자빔 용접 기술을 활용하여 두께 60mm의 TC4 티타늄 합금을 용접하고 용접된 조인트의 미세 구조와 특성을 분석했습니다. 그 결과 용접 조인트의 미세 구조가 두께 방향을 따라 고르지 않게 분포되어 있으며 용접부의 상단에서 하단으로 갈수록 충격 인성이 점차 감소하는 것으로 나타났습니다.

그림 12 용접 조인트의 거시적 외관

요약하면, 두꺼운 벽을 가진 티타늄 합금의 전자빔 용접 시 용접 금속은 빠른 열 사이클 프로세스를 거치며, 고온에서 일관되지 않은 체류 시간으로 인해 두께 방향에 따라 미세 구조와 특성이 다른 영역에 고르지 않게 분포합니다.

벽이 두꺼운 티타늄 합금 전자빔 용접 접합부의 미세 구조 및 특성의 불균일 분포와 낮은 기계적 특성 문제를 해결하기 위해 관련 연구자들은 용접 공정을 최적화하고 용접 후 열처리를 수행하여 접합부의 미세 구조와 특성을 조정했습니다.

공유빙 등은 20mm 두께의 TC4 티타늄 합금 전자빔 용접 조인트의 불균일성과 구조의 진화에 대한 광범위한 연구를 수행했습니다. 그림 13은 용접 조인트의 다양한 영역의 미세 구조를 보여줍니다.

결과는 티타늄 합금 용접 조인트가 융합 폭과 침투 깊이의 방향에서 상당한 불균일성을 가지고 있음을 나타냅니다. 상부 용접 조인트의 평균 입자 크기는 중간 및 하단 부분의 입자 크기보다 큽니다.

용접 조인트의 상부와 중간 부분에 위드만슈타텐 구조가 나타나 조인트의 취성을 높이고 가소성을 감소시킵니다. 큰 열 입력 용접을 사용할 경우 미세 구조 분포의 불균일성을 개선할 수 있습니다.

Li Jinwei 등은 용접 중 전자빔에 특정 주파수 및 편향 진폭의 스캐닝 파형을 적용하여 20mm 두께의 TA15 티타늄 합금 전자빔 용접 조성의 균일성 제어를 달성하고 전이를 임베딩했습니다. 금속 소재 를 사용하여 용접 인터페이스에서 용접 매개변수를 조정할 수 있습니다.

그림 14는 다양한 공정 조건에서 용접 조성 균일성의 제어 효과를 보여줍니다. 기존 전자빔 용접에 비해 스캐닝 전자빔 용접은 다음과 같은 변동이 적습니다. 합금 원소 를 두께 방향으로 배치하여 보다 균일한 구성을 유도합니다.

그림 13 용접 조인트의 다양한 영역의 미세 구조

그림 14 다양한 공정 조건에서 용접 조성물의 균일성 제어 효과

팡 웨이핑 등은 전자빔 용접 기술을 활용하여 100mm 두께의 TC4 티타늄 합금 판을 용접했습니다. 그 결과 용접된 접합부는 재결정화 과정을 거쳤습니다. 어닐링 850℃에서, 920℃×2시간 및 500℃×4시간에서 용액 노화 열처리를 합니다.

그 결과 용액 에이징 열처리를 통해 얻은 용접부, 열영향부, 모재부의 미세경도가 용접 상태보다 높은 것으로 나타났습니다. 또한 용접 접합부의 인장 강도는 용접 상태보다 11.3% 높았고 항복 강도는 용접 상태보다 17.2% 높았습니다. 그러나 파단 후 연신율은 용접 상태의 약 50%에 불과했습니다.

Ma Quan 등은 열처리 공정이 Ti-1300 합금의 전자빔 용접 조인트의 미세 구조 및 기계적 특성에 미치는 영향을 조사했습니다. 그 결과 용접 전 다양한 열처리가 티타늄 합금 용접의 미세 구조와 특성에 거의 영향을 미치지 않는 것으로 나타났습니다. 반면 용접 후 열처리 공정은 용접 영역에서 β 결정립의 모양과 크기를 변경할 수 없었지만 용접 영역에서 a상의 함량, 크기 및 모양을 조절할 수 있었습니다. 그러나 침전된 a상의 분포는 안정적인 입자 경계에서 형성되는 경향이 있었습니다.

용접 영역의 성능은 침전된 α상의 크기와 수에 따라 달라졌습니다. 낮은 온도에서만 어닐링 또는 노화할 경우 용접 영역에서 α상의 강화 효과가 더 좋았으며 용접 강도는 모재보다 높았습니다.

요약하면, 스윙 전자빔과 결합된 적절한 용접 열 입력은 용접 조인트의 미세 구조 및 특성의 불균일성을 어느 정도 개선할 수 있습니다. 또한 용접 후 열처리는 용접 조인트의 기계적 특성을 향상시킬 수 있습니다.

3.2 조인트 잔류 응력 분포

용접 잔류 응력은 응력 부식으로 이어질 수 있는 중요한 요소이며 피로 강도 구조적 구성 요소의 수입니다.

다음에 대한 정확한 평가 용접 잔류 응력 는 용접된 구성 요소의 수명을 결정하는 데 매우 중요합니다.

Liu Min과 동료들은 열 탄성 유한 요소 이론을 기반으로 75mm 두께의 TC4 티타늄 합금으로 만든 전자빔 시편의 잔류 응력 분포를 분석했습니다.

그림 15는 잔류 스트레스 테스트의 결과를 보여줍니다.

연구 결과에 따르면 시작과 끝에서 10mm 떨어진 부위에 두께의 약 1/4에 해당하는 높은 값의 3차원 잔류 인장 응력이 존재하는 것으로 나타났습니다. 이 응력은 용접 조인트의 기계적 특성에 큰 영향을 미칠 수 있으므로 적절한 주의가 필요합니다.

그림 15 잔류 응력 계산 결과

우 빙 등은 블라인드 홀 방법을 사용하여 진공 어닐링 후 50mm 두께의 TA15 티타늄 합금 전자빔 용접 조인트의 잔류 응력 분포를 측정하여 용접 조인트의 잔류 응력 감소에 대한 연구를 수행했습니다. 그 결과 열처리 공정으로 용접 조인트의 가로 및 세로 응력이 더 일관되고 전체 용접 조인트의 응력이 더 균일해진 것으로 나타났습니다.

마찬가지로 Yu Chen 등은 600 ℃×2 시간 열처리 후 100mm 두께의 TC4 티타늄 합금 전자빔 용접 조인트의 잔류 응력 분포를 X-선 회절법으로 측정했습니다. 그 결과 열처리가 용접 조인트의 잔류 응력을 어느 정도 감소시켰으며 용접 조인트의 상부 및 하부 표면의 분포가 눈에 띄게 다르다는 것을 보여주었습니다.

상부 표면의 수평 및 종방향 잔류 응력이 감소하고 일부 영역의 종방향 잔류 응력이 인장 응력에서 압축 응력으로 변경되었습니다. 하부 표면의 종방향 잔류 응력은 효과적으로 제거되었으며 일부 위치는 압축 응력 상태에있었습니다. 수평 잔류 응력 완화 효과는 평균이었습니다.

또한, 호세인자데 F 등은 윤곽법을 사용하여 열처리 후 50mm 두께의 TC4 티타늄 합금 전자빔 용접 접합부의 잔류 응력 분포를 측정했습니다. 그 결과 용접 초기 끝단의 최대 인장 응력은 330MPa, 최대 압축 응력은 시험판 후단 10mm 이내에서 600MPa, 열처리 후 용접 중심선의 인장 응력은 30MPa로 감소할 수 있는 것으로 나타났습니다.

요약하면, 용접 후 열처리는 두꺼운 벽의 티타늄 합금 용접 조인트의 잔류 응력을 크게 줄일 수 있습니다.

3.3 요약

요약하면, 전자빔 용접은 높은 용접 효율을 달성하고 벽이 두꺼운 티타늄 합금을 용접할 때 최소한의 변형과 좋은 모양으로 용접 조인트를 생성할 수 있습니다. 그러나 용융 영역이 좁고 온도 구배가 크기 때문에 열 순환으로 인해 구조물에 3축 응력이 형성되어 조인트 가소성과 인성이 급격히 감소할 수 있습니다.

적절한 열처리 공정으로 용접 접합부의 구조와 성능을 부분적으로 개선할 수 있지만, 완전히 해결된 것은 아닙니다. 두께 방향에 따른 구조, 성능 및 응력 분포가 고르지 않은 등 추후 서비스 작업 시 숨겨진 위험이 남아 있습니다. 또한 열처리 공정은 생산 비용을 증가시킬 뿐만 아니라 생산 효율도 떨어뜨립니다.

또한 진공 챔버는 대형 티타늄 합금 부품에 전자빔 용접을 적용하는 데도 제한이 있습니다. 따라서 용접 조인트의 미세 구조, 특성 및 응력 분포 균일성, 특히 국소 진공 전자빔 용접 방향에 대한 연구가 수행되어야 합니다.

4. 레이저 용접 연구 현황

수십 년에 걸친 개발 끝에 레이저 용접 기술은 상당한 발전을 이루었습니다. 파이버 레이저의 탄생과 광전 모듈의 개발로 레이저의 출력이 증가하고 빔 안정성이 향상되어 두꺼운 벽 부품 용접 분야에 적용할 수 있는 탄탄한 기반이 마련되었습니다.

기존의 두꺼운 벽 아크 용접 기술에 비해 레이저 용접은 높은 용접 효율, 용접 변형 및 잔류 응력 최소화, 좁은 열 영향 영역, 크고 복잡한 구조물 용접에 대한 뛰어난 적응성을 제공합니다.

이러한 장점으로 인해 레이저 용접 기술은 최근 몇 년 동안 두꺼운 벽 부품 용접의 주요 연구 분야 중 하나가 되었습니다.

현재 두꺼운 벽의 티타늄 합금을 위한 레이저 용접 기술에는 레이저 필러 와이어 용접과 진공 레이저 용접이 있습니다.

4.1 필러 와이어를 사용한 좁은 간격 레이저 용접

필러 와이어를 사용한 좁은 간격 레이저 용접은 와이어 공급 메커니즘을 사용하여 필러 금속을 레이저 초점 스폿으로 밀어 넣는 방식으로 이루어집니다. 그러면 용융된 용가재가 레이저 빔의 작용을 통해 용접 부위를 채우면서 용접 공정이 완료됩니다.

그림 16은 필러 와이어를 사용한 협갭 레이저 용접의 개략도를 보여줍니다. 이 기술은 최근 몇 년 동안 급속도로 발전했습니다.

이러한 발전에도 불구하고 필러 와이어를 사용한 협갭 레이저 용접은 특히 두꺼운 벽의 티타늄 합금 용접을 처리할 때 여전히 몇 가지 문제에 직면해 있습니다. 이러한 문제에는 측벽의 융착 부족, 용접 다공성, 용접 변형 및 높은 응력, 용접 조인트의 소성 인성 저하 등이 포함될 수 있습니다.

그림.16 좁은 간격 레이저 와이어 충전 용접의 개략도

리쿤 등은 티타늄 합금의 다공성을 억제하기 위해 스윙 레이저 빔을 사용하여 측벽 비융합 문제를 해결하기 위해 그 메커니즘을 분석했습니다. 용접 다공성.

그 결과 스윙 빔이 티타늄 합금 키홀 용접의 다공성을 줄이는 데 상당한 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 이는 용접 중 키홀의 안정성이 증가하여 키홀의 다공성이 감소했기 때문입니다.

쉬카이신 등은 레이저 빔 원형 스윙을 사용하여 40mm 두께의 TC4 티타늄 합금을 용접했습니다. 스윙 진폭이 2mm이고 스윙 주파수가 100-200Hz 인 경우 용접 솔기 모공이 보이지 않고 측면 벽이 잘 융합되어 있었습니다.

용접 접합부의 미세 구조와 특성을 분석한 결과, 용접 이음새의 주상 결정은 조밀하게 배열된 침상 α'마르텐사이트와 분산 분포된 과립상 αg 상을 포함하고 있는 것으로 나타났습니다. α'가 선호하는 방향은 동일한 β 입자에서 발견되었으며, 큰 각도의 입자 경계가 높은 비율을 차지했습니다. 용접된 접합부는 강도는 높지만 가소성과 인성은 낮은 것으로 나타났습니다.

결론적으로 스윙 레이저 빔은 측벽 비융착 및 용접 다공성 문제에 대한 효과적인 솔루션입니다.

그림 17 40mm 두께의 TC4 티타늄 합금의 좁은 간격 단면의 형태 및 미세 구조

두꺼운 벽을 가진 티타늄 합금 용접 조인트의 열악한 가소성과 인성을 해결하기 위해 연구자들은 용접 열 입력과 용접 합금 원소를 조절하여 용접 조인트의 미세 구조와 특성을 향상시켰습니다.

팡 나이웬과 동료들은 용접 열 입력이 필러 와이어를 사용한 TC4 티타늄 합금 레이저 용접에 미치는 영향을 조사했습니다. 연구 결과에 따르면 적절한 용접 열 입력은 용접 조인트의 우수한 가소성을 보장할 수 있었습니다.

또한 고온 레이저 공초점 현미경의 현장 관찰법을 이용해 자체 개발한 Ti-Al-V-Mo 계열 티타늄 합금의 냉각 과정 중 미세구조 형성 특성과 변형 법칙을 분석했습니다. 용접 열 주기. 그 결과 Mo를 첨가하면 초기 변형 온도가 감소하고 침상 α 마르텐사이트와 초기 α상의 종횡비가 감소하며 용접 조인트의 충격 인성이 향상되는 것으로 나타났습니다.

따라서 용접 공정에서 열 입력을 제어하고 금속 분말 코어 플럭스 코어 와이어의 합금 원소 비율을 합리적으로 설계하면 용접 조인트의 소성 인성을 향상시킬 수 있습니다.

두꺼운 티타늄 합금 판의 초협 갭 레이저 필러 와이어 용접 공정은 다층 필러 금속의 단일 패스에서 열이 축적된 결과입니다. 다층 용접 공정의 여러 열 사이클은 필연적으로 온도 필드가 고르지 않은 매우 복잡한 용접 구조를 생성합니다.

용접 중에 용접된 접합부는 잔류 응력과 용접 변형이 고르지 않게 분포될 수 있습니다. 또한 티타늄 합금은 선팽창 계수가 높고 열전도율이 낮기 때문에 용접 잔류 응력과 용접 변형이 발생할 가능성이 더욱 높아집니다.

용접 잔류 응력이 티타늄 합금 용접 조인트의 정하중 강도, 낮은 사이클 피로 강도 및 내식성에 미치는 부정적인 영향은 상당합니다. 또한 용접 변형은 용접 조인트의 외관에 큰 영향을 미치고 구조물의 지지력을 감소시키며 이후 용접 부품의 조립 정확도를 낮출 수 있습니다.

용접 조인트의 잔류 응력에 대한 홈 형태의 영향에 대한 심층적인 통찰력을 얻기 위해 팡 나이웬 등은 ANSYS 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 40mm 두께의 TC4 티타늄 합금 레이저 용접 조인트의 다양한 홈 형태의 응력 및 변형에 대한 수치 시뮬레이션 해석을 수행했습니다.

그림 18은 두 그루브 형태의 세로 응력 분포를 보여줍니다. 결과는 단일 U-홈 용접 조인트의 응력 분포가 이중 U-홈 용접 조인트의 응력 분포와 다르다는 것을 나타냅니다. 단일 U-홈 용접 접합부에서는 끝 용접부의 한쪽에 응력 집중이 뚜렷하게 나타나는 반면, 이중 U-홈 용접 접합부의 응력 분포는 벽 두께 방향을 따라 대칭을 이룹니다.

그림.18 종방향 잔류 응력 분포 응력 분포

요약하면, 필러 와이어를 사용한 좁은 간격 레이저 용접은 다음과 같이 두꺼운 벽의 티타늄 합금 용접 조인트를 생산할 수 있습니다. 용접 결함 레이저 빔을 주기적으로 진동시켜 측벽의 다공성 및 불완전한 융합과 같은 문제를 해결합니다.

용접 공정의 열 입력과 금속 분말 코어 와이어의 합금 원소 비율을 제어하여 용접 조인트의 플라스틱 인성을 향상시킬 수 있습니다.

그러나 필러 와이어를 사용한 두꺼운 벽의 티타늄 합금 좁은 간격 레이저 용접 영역에서는 특히 다중 합금 시스템을 갖춘 레이저 충전 금속 코어 플럭스 코어 와이어 영역에서 용접 조인트의 미세 구조 및 특성 제어를 계속 탐구하는 것이 필수적입니다.

4.2 진공 레이저 용접

최근 몇 년 동안 고출력 산업용 파이버 레이저는 10,000와트 수준에 도달했습니다. 그러나 고품질의 고출력 레이저를 효율적으로 사용하고 품질 저하 없이 레이저 용접의 관통력을 향상시키는 것은 엔지니어링 분야에서 어려운 문제입니다.

최근 연구에 따르면 진공 환경에서 침투 깊이를 크게 증가시켜 용접의 다공성 및 형성을 개선할 수 있는 것으로 나타났습니다. 독일 아헨 공과대학교의 라이스겐 U는 레이저 용접, 진공 레이저 용접, 전자빔 용접의 관통 능력을 비교했습니다.

그 결과 동일한 라인 에너지 하에서 용접 관통력 는 진공 환경에서 레이저 용접으로 얻은 것보다 약 2.5배 높으며, 전자빔 용접으로 얻은 것과 비슷합니다. 그러나 진공 환경에서 레이저 용접에 필요한 진공은 10 Pa에 불과한 반면 전자빔 용접에는 최소 10-1 Pa가 필요하므로 진공 레이저 용접의 비용이 더 낮습니다.

따라서 학자들은 저진공에 대한 연구를 수행했습니다. 레이저 용접 기술 두꺼운 벽 구조용. Meng Shenghao 등은 중후판 및 후판용 TC4 티타늄 합금의 진공 환경 레이저 용접 특성을 연구했습니다.

그 결과 진공 환경 레이저 용접은 용접 형성이 더 우수하고 용접 침투력이 크게 향상되며 용접 깊이-폭 비율이 증가하고 용접 공정에서 스패터를 억제하며 용접의 가스 구멍 결함이 크게 감소하는 것으로 나타났습니다.

하얼빈 용접 연구소는 저진공(진공도 10 Pa) 레이저 용접 기술을 사용하여 40mm 두께의 TC4 합금 용접에 성공했습니다. 그들은 서로 다른 위치의 미세 구조와 기계적 특성을 비교하고 분석했습니다.

용접된 접합부의 거시적 형태는 그림 19에 나와 있습니다. 결과는 열 영향 영역의 미세 구조가 α 상, 잔류 β 상 및 α' 마르텐사이트라는 것을 보여주었습니다.

용접 용융부의 미세 구조는 주로 크기와 분포 상태가 다른 α' 마르텐사이트와 낮은 냉각 속도에서 형성된 α 상을 포함합니다. 두께 방향에 따른 인장 특성은 균일하며 상부와 하부의 강도 값은 크고 중간 상부와 중간 하부의 강도 값은 작지만 전체적인 차이는 작습니다.

그림 19 40mm 두께 티타늄 합금 용접 조인트의 거시적 형태

4.3 요약

요약하면, 진공 레이저 용접은 두꺼운 벽의 티타늄 합금을 용접할 수 있습니다. 이 용접 공정은 낮은 진공 요구 사항, 방사선 오염 없음, 낮은 용접 비용, 높은 효율성 등 전자빔 용접에 비해 여러 가지 장점을 자랑합니다. 따라서 진공 레이저 용접은 벽이 두꺼운 티타늄 합금을 용접하는 데 유망한 방법입니다.

이러한 장점에도 불구하고 두꺼운 벽의 티타늄 합금의 저진공 레이저 용접 분야에서 관련 학자들의 추가 연구가 여전히 필요합니다. 특히, 다음 사항에 대한 심층적인 조사가 필요합니다. 레이저의 특성 진공 조건에서의 에너지 전달 및 용접 조인트 미세 구조 및 특성 제어.

5. 결론

이 기사에서는 주로 항공우주, 해양 장비 및 기타 관련 분야의 고품질 용접 및 제조 요구 사항을 충족하기 위한 두꺼운 벽 티타늄 합금 용접을 위한 융합 용접 기술의 발전에 대해 설명합니다.

지난 10년 동안 두꺼운 벽을 가진 티타늄 합금의 용융 용접 기술에는 상당한 발전이 있었습니다. 이러한 성과는 용접 기술, 품질 관리, 접합 구조 및 물성 관리와 같은 다양한 분야를 포괄합니다.

현재 연구 현황과 결합하여 두꺼운 벽 티타늄 합금의 융합 용접은 주로 다음과 같은 연구 방향을 가지고 있습니다:

(1) 두꺼운 벽 티타늄 합금 용접의 응력 제어.

티타늄 합금의 작은 열전도율과 큰 선팽창 계수로 인해 두꺼운 벽의 티타늄 합금 용접 공정 중 열 순환 후 구조에 3 방향 응력이 쉽게 형성 될 수 있습니다. 이로 인해 조인트의 가소성과 인성이 급격히 저하될 수 있습니다.

이 문제를 해결하기 위해 사용되는 용접 방법에 따라 용접 후 열처리, 홈 최적화 설계, 초음파 충격 처리 등 다양한 기술을 사용할 수 있습니다. 이러한 기술은 벽이 두꺼운 티타늄 합금 용접 조인트의 응력과 변형을 제어하는 데 도움이 될 수 있습니다.

(2) 다중 열원 용접 기술 개발.

현재 두꺼운 벽을 가진 티타늄 합금의 용융 용접 기술은 주로 기존의 아크 용접, 전자빔 용접, 레이저 용접과 같은 단일 열원을 사용합니다. 그러나 이러한 용접 방법 에는 특정 제한이 있습니다.

따라서 이러한 한계를 해결하기 위해 두꺼운 벽의 티타늄 합금 용접을 위해 TIG-MIG 하이브리드 용접 및 레이저 아크 하이브리드 용접과 같은 다중 열원 용접 기술의 개발을 추구할 수 있습니다.

(3) 용접 조인트의 미세 구조 및 특성 제어.

현재 두꺼운 벽을 가진 티타늄 합금의 용접 접합부의 미세 구조를 제어하는 연구는 제한적입니다.

그러나 다중 합금 시스템으로 용접 재료를 개발하고 용접의 미세 구조를 조절하는 것이 가능합니다. 이를 통해 두꺼운 벽을 가진 티타늄 합금의 기계적 특성을 잠재적으로 향상시킬 수 있습니다.